Trong thực tiễn sản xuất nông nghiệp lâu dài, ở những điều kiện sinh thái và xã hội khác nhau, ở nhiều nơi trên trái đất vào những thời điểm nhất định của lịch sử đã hình thành những trung tâm cây trồng chủ yếu của nhân loại, bao gồm cả cây dại và cây trồng.
Lịch sử nông nghiệp thế giới cũng chỉ rõ việc chuyển đổi sản xuất nông nghiệp từ trình độ tự cấp tự túc sang sản xuất nông nghiệp hàng hoá gắn liền với biến đổi sâu sắc hệ thống cây trồng.
Từ cuối thế kỷ 18, đầu thế kỷ thứ 19, cuộc cách mạng hệ thống cây trồng đ−ợc bắt đầu ở một số n−ớc Tây Âu, chế độ độc canh trong sản xuất nông nghiệp đ−ợc thay thế bằng các chế độ luân canh cây ngũ cốc và đồng cỏ đồng thời sử dụng các loại cây họ đậu làm thức ăn gia súc kết hợp với nông cụ cải tiến và phân bón đã thực sự nâng cao hiệu quả sản xuất nông nghiệp (Phạm Chí Thành, 1996) [37]. Các chế độ luân canh này đánh dấu một b−ớc ngoặt trong quá trình phát triển nông nghiệp của Châu Âu. Theo chế độ luân canh này, hệ thống cây trồng gồm một số cây chăm sóc giữa hàng nh− khoai tây, cây lấy củ, ngũ cốc, cỏ ba lá và ngũ cốc mùa hè. Chế độ luân canh này cũng đồng thời với việc tăng c−ờng các biện pháp kỹ thuật nh−
làm đất, bón phân... Chính vì lẽ đó, năng suất ngũ cốc đ−ợc tăng lên gấp 2 lần so với chế độ luân canh cũ và sản phẩm l−ơng thực, thực phẩm đ−ợc tăng lên gấp 4 lần trên cùng 1ha đất canh tác (nh− các loại cây có củ, quả đ−ợc đ−a thêm vào hệ thống cây trồng và năng suất của chính cây ngũ cốc cũng đ−ợc tăng lên). Chế độ luân canh mới này đã tạo ra những điểm đột phá thắng lợi ở Anh, Bỉ, Hà Lan, Pháp và tiếp theo là các n−ớc Châu Âu khác. ( Bùi Huy Đáp, 1996) [14].
Theo tài liệu FAO (1986) dẫn theo (Đ−ờng Hồng Dật, 1993) [9]: Trong sản xuất nông nghiệp ở Mỹ có ba loại cây trồng chiếm vị trí chiến l−ợc quan trọng hàng đầu là lúa mì (25 triệu ha), ngô (32 triệu ha) và đậu t−ơng. Năm 1924, diện tích đậu t−ơng ở Mỹ là 40 vạn ha, năng suất 9 tạ/ha, nh−ng 60 năm sau diện tích đậu t−ơng đạt 28,5 triệu ha (tăng 70 lần), Sản l−ợng 57 triệu tấn.
Từ những thập niên 60, các nhà sinh lý thực vật đã nhận thấy rằng không một loại cây trồng nào có thể sử dụng hoàn toàn triệt để tài nguyên thiên nhiên của mỗi vùng. Các Viện nghiên cứu nông nghiệp trên thế giới hàng năm đã lai tạo, tuyển chọn ra nhiều loại giống cây trồng mới, đ−a ra nhiều công thức luân canh, quy trình kỹ thuật tiến bộ, đề xuất cơ cấu cây trồng thích hợp cho từng vùng sinh thái nhằm tăng năng suất, sản l−ợng và giá trị sản l−ợng/đơn vị diện tích canh tác. Viện nghiên cứu lúa quốc tế IRRI đã góp nhiều thành tựu về cơ cấu giống lúa.
ở Châu á các chế độ xen canh, gối vụ truyền thống cũng đã đ−ợc chú ý nghiên cứu và phát triển. Năm 1960, Hàn Quốc, Đài Loan đã đạt chỉ số thâm canh tăng vụ 1,5 và 1,8 lần. Cũng thời kỳ này, các nhà nghiên cứu của Viện lúa IRRI đã nhận thức rằng các giống lúa mới thấp cây, đứng lá, tiềm năng năng suất cao cũng chỉ có thể giải quyết vấn đề l−ơng thực trong phạm vi hạn chế. Do đó từ những năm đầu của thập kỷ 70 họ đã đi sâu nghiên cứu
toàn bộ hệ thống cây trồng trên đất lúa theo h−ớng lấy lúa làm cây chủ đạo và tăng c−ờng phát triển các loại cây hoa mầu trồng cạn. Các chế độ trồng xen, trồng gối, trồng nối tiếp ngày càng đ−ợc chú ý nghiên cứu (Bùi Huy Đáp, 1993 [13], [15]. ở Châu á đã hình thành một ''mạng l−ới hệ canh tác'' đó là một tổ chức hợp tác nghiên cứu giữa Viện nghiên cứu lúa Quốc tế (IRRI) và nhiều quốc gia trong vùng. Hệ thống cây trồng trong mạng l−ới này rất đa dạng và phong phú với một số mục tiêu rất cụ thể nh−:
- Thử nghiệm tăng vụ bằng các cây trồng mới ngắn ngày để thu hoạch tr−ớc mùa m−a lũ hoặc xen canh, luân canh tăng vụ.
- Xác định hiệu quả kinh tế của các công thức luân canh và khắc phục các yếu tố hạn chế để đạt đ−ợc hiệu quả cao.
Tổ chức FAO (1990) dẫn đã thông báo có tới 117 quốc gia trên toàn thế giới ứng dụng ph−ơng án chuyển h−ớng từ sản xuất nông nghiệp và lâm nghiệp thuần tuý sang nông - lâm kết hợp ở những vùng đồi núi và coi đây là b−ớc tiến quan trọng trong cách mạng cây trồng. Ch−ơng trình nghiên cứu nông nghiệp phối hợp toàn ấn Độ 1960 - 1972 lấy hệ thâm canh tăng vụ chu kỳ 1 năm làm h−ớng chiến l−ợc phát triển sản xuất nông nghiệp đã kết luận: '' Hệ canh tác dành −u tiên cho cây l−ơng thực, chu kỳ 1 năm 2 vụ ngũ cốc (2 vụ lúa n−ớc, hoặc 1 vụ lúa n−ớc và 1 vụ lúa mỳ) đ−a thêm vào một vụ trồng cây họ đậu'', Điều này đã giải quyết đ−ợc các vấn đề chính là khai thác tối −u tài nguyên của đất đai, góp phần ảnh h−ởng tích cực đến độ phì nhiêu của đất trồng và đảm bảo lợi ích của ng−ời nông dân dẫn theo (Hoàng Văn Đức, 1992) [17].
Nhật Bản là một n−ớc có điều kiện tự nhiên không thuận lợi cho sản xuất nông nghiệp. Do đó các nhà khoa học nông nghiệp Nhật Bản đã tập trung nghiên cứu và đề ra các chính sách quan trọng, xây dựng những ch−ơng
tr−ờng nông sản và đẩy mạnh công tác khuyến nông, nhằm đảm bảo an ninh, an toàn l−ơng thực và thực hiện một số giải pháp về kỹ thuật, cải cách nông thôn… nhờ vậy đến nay Nhật Bản đã trở thành một quốc gia có nền công nghiệp nông nghiệp (nền nông nghiệp hiện đại) hàng đầu của thế giới (Tr−ờng Đại học Kinh tế Quốc dân, 1996)[31].
Các nhà khoa học Nhật Bản đã hệ thống hoá 4 tiêu chuẩn của hệ thống cây trồng là sự phối hợp giữa cây trồng và vật nuôi, các ph−ơng pháp trồng trọt và chăn nuôi gia súc, c−ờng độ lao động, vốn đầu t−, tổ chức sản xuất và sản phẩm làm ra, tính chất hàng hoá của sản phẩm (Nguyễn Duy Tính, 1995)[27].
Đài Loan là một n−ớc có diện tích đất sản xuất nông nghiệp rất thấp, nh−ng do cải tiến các biện pháp kỹ thuật, thực hiện các chính sách khuyến khích nên đã tạo cho nông nghiệp có những b−ớc phát triển v−ợt bậc, không những cung cấp dồi dào l−ơng thực mà còn chuyển vốn cho các ngành khác, đóng góp rất lớn cho công cuộc đẩy mạnh công nghiệp hoá và thúc đẩy nền kinh tế quốc dân phát triển. Đài Loan thực hiện rộng rãi và áp dụng kinh doanh cần nhiều sức lao động và kỹ thuật vi sinh để nâng cao sản l−ợng cây trồng, nâng cao khả năng canh tác của đất đai, nhập thêm nhiều giống cây trồng mới có giá trị kinh tế cao. Những biện pháp đó đã giúp Đài Loan chuyển sang nền nông nghiệp hàng hoá và xuất khẩu nhiều nông sản; đồng thời có điều kiện đầu t− phát triển sản xuất nông nghiệp ở một số n−ớc đang phát triển, trong đó có Việt Nam. Đài Loan đã thành công trong việc nghiên cứu cây màu chịu bóng để trồng xen trong mía. Các giống cây màu chịu hạn trồng vào mùa khô để tăng vụ sau khi thu hoạch lúa mùa. Để phát triển nông nghiệp nông thôn, Đài Loan đã tiến hành cải cách ruộng đất, cải tiến kỹ thuật, phát triển nông nghiệp, thúc đẩy kiến thiết nông thôn. Cơ cấu sản xuất nông nghiệp cũng chuyển dịch theo h−ớng phù hợp với yêu cầu của công nghiệp hoá, giảm
tỷ trọng sản l−ợng trồng trọt từ 71,9% (năm 1952) xuống 47,1% (năm 1981), tăng giá trị sản l−ợng công nghiệp từ 15,6% lên 19,5% [32].
Từ những mối liên hệ giữa cây trồng với môi tr−ờng và quản lý nông nghiệp đã đề ra ph−ơng pháp nghiên cứu hệ thống công thức luân canh cây trồng mới với hệ canh tác đơn giản để thay thế hệ thống canh tác cũ, nhằm khắc phục tình trạng mất cân bằng sinh học, có tiềm lực về mặt kinh tế, có khả năng thoả mãn những nhu cầu của con ng−ời mà không bóc lột đất đai, ô nhiễm môi tr−ờng. Nông nghiệp bền vững, sử dụng những đặc điểm của cảnh quan và cấu trúc, sử dụng diện tích một cách ít nhất.
Một số nhà khoa học nông nghiệp cho rằng, quá trình phát triển của hệ thống cây trồng là sự phát triển đồng ruộng đi từ đất cao đến đất thấp. Có nghĩa là hệ thống cây trồng đã phát triển trên hệ thống đất cao tr−ớc, sau đó mới đến đất thấp, đây là quá trình hình thành của hệ sinh thái đồng ruộng.
Ch−ơng trình nghiên cứu phối hợp toàn ấn Độ từ năm 1960 - 1972 đã lấy hệ thống thâm canh tăng vụ chu kỳ một năm làm h−ớng chiến l−ợc phát triển sản xuất nông nghiệp và đã rút ra kết luận: hệ canh tác −u tiên cho cây l−ơng thực chu kỳ 1 năm, 2 vụ ngũ cốc và 1 vụ đậu đỗ đã đáp ứng đ−ợc 3 mục tiêu là khai thác tối −u tiềm năng đất đai, nâng cao độ phì của đất và đảm bảo lợi ích của ng−ời nông dân. Việc phát triển nhiều giống cây trồng cùng với việc bố trí lại cơ cấu cây trồng hợp lý đã đ−a ấn Độ từ một n−ớc th−ờng xuyên thiếu l−ơng thực trở thành một n−ớc đủ ăn và có d− thừa để xuất khẩu.
Cũng ở ấn Độ các nhà khoa học đã đề cập đến cơ cấu luân canh cây trồng hợp lý phụ thuộc vào điều kiện canh tác, các chính sách và giá cả nông sản hàng hoá. Do đó, hàng loạt các công thức luân canh cho các vùng, tiểu vùng sinh thái đ−ợc khảo nghiệm, triển khai trên diện rộng đã cho năng suất cao.
ở những khu vực đồng bằng, nông dân Châu á đã sử dụng nhiều hệ canh tác khác nhau, bao gồm các loại cây trồng khác nhau (lúa, ngô, đậu, đỗ, khoai...). Nhìn chung các hệ thống cây trồng có chế độ luân canh giữa cây trồng n−ớc và cây trồng cạn, giữa cây l−ơng thực và cây họ đậu, hoặc luân canh giữa không gian và thời gian cũng đ−ợc nhiều nhà nghiên cứu để cập đến và có những kết luận xác đáng.
Vấn đề hiệu quả kinh tế của các công thức luân canh trên đất lúa cũng đ−ợc nhiều nhà khoa học quan tâm. Đó là cơ cấu luân canh cây trồng hợp lý, phụ thuộc vào điều kiện canh tác và giá cả nông sản hàng hoá trên thị tr−ờng.
Từ năm 1975 đã hình thành mạng l−ới nghiên cứu hệ thống cây trồng với 4 n−ớc thành viên, đến thập kỷ 80 đã mở rộng phạm vi đến 16 n−ớc và đã tổ chức hội nghị ở Thái Lan vào năm 1981. Các nhà khoa học của các n−ớc thành viên đã thống nhất một số giải pháp trong chuyển đổi cơ cấu cây trồng nh− sau:
- Tăng vụ lúa ngắn ngày, thu hoạch tr−ớc mùa lũ.
- Thử nghiệm tăng vụ cây màu bằng các cây trồng mới, xen canh, luân canh, thâm canh, tăng vụ…
- Xác định hiệu quả của các công thức luân canh, tìm và khắc phục các yếu tố hạn chế để phát triển công thức đạt hiệu quả cao.
ở Thái Lan, công thức độc canh lúa xuân - lúa mùa hiệu quả kinh tế thấp và chi phí thuỷ lợi quá lớn, hơn nữa do độc canh lúa đã làm giảm độ phì của đất. Vì vậy, họ đã chuyển sang sản xuất theo công thức luân canh đậu t−ơng - lúa mùa, hiệu quả kinh tế tăng gấp đôi, đồng thời độ phì đất cũng tăng lên rõ rệt (Nguyễn Duy Tính, 1995)[28].
Mô hình sử dụng đất dốc hợp lý của Thái Lan bằng cách trồng cây họ đậu thành băng theo đ−ờng đồng mức để chống xói mòn, tăng độ phì cho đất
và đem lại hiệu quả kinh tế cao. Hệ thống cây trồng kết hợp trồng xen cây họ đậu với cây l−ơng thực trên đất dốc đã làm tăng năng suất cây trồng, tăng đ−ợc chất xanh tại chỗ, tăng nguồn vi sinh vật có ích trong đất. Bình quân l−ơng thực của Thái Lan trong 10 năm (1977 - 1987) đã tăng 3%, trong đó lúa gạo tăng 2,4%, ngô tăng 6,1%, ngoài ra các cây trồng có giá trị kinh tế cao nh− dừa, cao su, cà phê, chè cũng đ−ợc chú ý phát triển… nhờ sản xuất nông nghiệp theo h−ớng đa cây trồng, đa thời vụ gắn với thị tr−ờng nên giá trị nông sản đã chiếm tỷ trọng lớn trong tổng kim ngạch xuất khẩu.
ở Trung Quốc, hệ thống cây trồng phổ biến là 2 vụ lúa và một vụ lúa mì, hoặc đậu Hà Lan, khoai tây... trên các vùng đất một vụ lúa thì hệ thống cây trồng là một vụ lúa + một vụ cây trồng cạn dẫn theo (Bùi Thị Xô, 1994) [50].
Các kết quả nghiên cứu ở nhiều nơi trên thế giới dẫn theo ( Đinh Xuân Đức, 1996) [8] cho thấy việc lựa chọn hệ thống cây trồng ở các vùng đất dốc, đồi núi theo các nguyên tắc sau:
- Cây trồng năm đầu là những loại cây đòi hỏi nhiều chất dinh d−ỡng nh− ngũ cốc rồi sau đó là các loại cây cần ít dinh d−ỡng và dễ tính nh− sắn, khoai lang...
- Trồng những loại cây hiệu quả ít hơn, nh−ng có tác dụng nh− một dạng tái sinh thực vật. Ví dụ: sử dụng công thức luân canh : ngũ cốc - sắn - mã đề. Những cây trồng ít hiệu quả hơn th−ờng là những cây lâu năm, nên mục đích chính là đ−ợc dùng để thực hiện chu trình cải tạo đất.
- Tuỳ theo độ dốc ở vùng sản xuất mà bố trí cây trồng và áp dụng biện pháp canh tác thích hợp. Đất dốc d−ới 200C, đ−ợc trồng cây hàng năm với biện pháp chống xói mòn nh− đắp bờ, trồng cây theo đ−ờng đồng mức, trồng băng các loại cây xanh hay cỏ lâu năm. Đất dốc trên 20 0C th−ờng trồng cây lâu năm, cây ăn quả... ( Phùng Đăng Chinh, 1987) [6].
Một số n−ớc ở khu vực Đông nam á đã có nhiều công trình nghiên cứu về hệ thống nông nghiệp, cơ cấu cây trồng, kết quả nghiên cứu đã góp phần nâng cao năng suất, sản l−ợng và giá trị sản xuất của cây trồng. ở Philippin đã tiến hành nghiên cứu hệ thống cây trồng trên các loại đất cao và thấp trong điều kiện có t−ới và nhờ n−ớc trời. Còn Indonesia đã thử nghiệm các mô hình tăng vụ và đa dạng hoá cây trồng trên các loại đất có t−ới 10 tháng, 7 tháng và 5 tháng. Những mô hình thử nghiệm có 3 vụ lúa, 2 vụ lúa, 2 vụ lúa - 1 vụ màu, 1 vụ lúa - 1 vụ màu đã đ−ợc áp dụng và nhân ra diện rộng, các cây màu chủ yếu là cây họ đậu, các loại rau, ngô.
Xây dựng hệ thống canh tác kết hợp một biến dạng của hệ canh tác nhiều loài khác nhau trên cùng một lô đất. Lợi ích của việc trồng kết hợp là làm tăng hiệu quả của sử dụng đất, n−ớc, ánh sáng, dinh d−ỡng đất, phân bón tạo điều kiện sinh thái tốt cho cây trồng sinh tr−ởng, phát triển và hạn chế bị sâu bệnh phá hại. ở đây còn áp dụng ph−ơng pháp “cây trồng đồng hành” trong việc trồng xen để giảm sâu bệnh, nh− trồng hành xen với bắp cải, mùi của cây hành toả ra đã làm hạn chế côn trùng xuất hiện gây hại bắp cải.
Hiện nay, xu h−ớng trong nghiên cứu của các nhà khoa học nông nghiệp là tập trung nghiên cứu cải tiến hệ thống cây trồng trên các vùng đất bằng cách đ−a thêm một số loại cây trồng mới vào hệ canh tác nhằm tăng sản l−ợng nông sản/1 đơn vị diện tích canh tác/1 năm. Cải tiến cơ cấu cây trồng theo h−ớng kết hợp hiệu quả kinh tế - xã hội với bảo vệ môi tr−ờng nhằm xây dựng nền nông nghiệp sinh thái phát triển bền vững (Nguyễn Duy Tính, 1995)[28].
Ch−ơng trình SALT (Sloping Agricultural Land Technology) của Philippin đã khảo nghiệm thành công hệ thống cây trồng và biện pháp canh tác cụ thể là: Các cây hàng năm và cây lâu năm đ−ợc trồng thành băng xen kẽ nhau rộng 4 -5 m, các loại cây họ đậu có khả năng cố định đạm đ−ợc trồng thành 2 hàng rào này cao lên trên 1,5m, ng−ời ta đốn gốc